光電式傳感器

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器光電傳感器：以光電器件作轉(zhuǎn)換元件的傳感器。工作原理：把被測(cè)量的變化→轉(zhuǎn)換成光信號(hào)(光通量或光參數(shù))的變化→通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的組成：8.1光電器件光電器件：是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件,它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件特點(diǎn)：響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,有較高的可靠性,因此在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中,應(yīng)用非常廣泛。光電器件工作的物理根底：光電效應(yīng)。

光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體外表向外發(fā)射的現(xiàn)象。向外發(fā)射的電子叫光電子。如光電管、光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下,物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。如光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏晶體管。1．外光電效應(yīng)一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有的能量：E=hυ(8-1)式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)；

υ——光的頻率(s-1)。根據(jù)能量守恒定理：(8-2)

式中：m——電子質(zhì)量；v0——電子逸出速度。A0——逸出功。式(8-2)為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式1．外光電效應(yīng)〔1〕光子能量必須超過逸出功，才能產(chǎn)生光電子；〔2〕入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比；〔3〕光電子逸出物體外表時(shí)具有初始動(dòng)能，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。2．內(nèi)光電效應(yīng)(1)光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，假設(shè)光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。(2)光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池。光敏二極管、光敏晶體管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)。一、光敏電阻〔光導(dǎo)管〕１．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理無光照時(shí),光敏電阻值〔暗電阻〕很大,電路中電流〔暗電流〕很??；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí),它的阻值〔亮電阻〕急劇減少,電路中電流迅速增大。暗電阻越大越好,亮電阻越小越好。

光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的一個(gè)純電阻元件，無極性。２．光敏電阻的主要參數(shù)〔１〕暗電阻：光敏電阻在不受光時(shí)的阻值。此時(shí)流過的電流稱為暗電流。〔２〕亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻。此時(shí)流過的電流稱為亮電流。〔３〕光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，電阻值減小，電流增大。暗電流〔越小越好〕３．光敏電阻的根本特性〔1〕伏安特性光敏電阻的伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流I與光敏電阻兩端的電壓U的關(guān)系。I=F〔U〕〔2〕光照特性當(dāng)光敏元件加上一定電壓時(shí)，光電流I與光敏元件上光照度E之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為光照特性。一般可表示為：I=F〔E〕〔3〕光譜特性光電流〔或相對(duì)靈敏度〕與入射波長的對(duì)應(yīng)關(guān)系I=F〔λ〕稱為光譜特性。(光譜響應(yīng))〔4〕頻率特性光敏元件輸出的光電流(或相對(duì)靈敏度)隨頻率變化的關(guān)系。I=F1(f)或S=F1(f)I——光電流S——靈敏度F——調(diào)制頻率〔5〕溫度特性環(huán)境溫度改變后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)也將隨之變化，這種現(xiàn)象稱為光敏元件的溫度特性。4．光敏電阻特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等。所以應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：型號(hào)相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測(cè)量要求線性的場(chǎng)合，常用作開關(guān)式光電信號(hào)的傳感元件。二、光敏二極管和光敏晶體管１．結(jié)構(gòu)原理〔1〕光敏二極管結(jié)構(gòu):與一般二極管相似

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度成正比。

光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個(gè)元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。〔2〕光敏三極管光敏三極管外形２．根本特性〔１〕光譜特性〔２〕伏安特性〔3〕頻率特性光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流(或相對(duì)靈敏度)隨頻率變化的關(guān)系。(4)溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。三、光電池1．結(jié)構(gòu)原理光電池:一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件?；诠馍匦?yīng)。連接內(nèi)光電效應(yīng)連接光電效應(yīng)

光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動(dòng)機(jī)模型太陽能硅光電池板2．根本特性〔１〕光譜特性光電池對(duì)不同波長的光的靈敏度是不同的?！玻病彻庹仗匦怨怆姵卦诓煌庹斩认?光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的,它們之間的關(guān)系就是光照特性。(3)頻率特性

〔4〕溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。四、光電耦合器件定義:光電耦合器件是由發(fā)光元件〔如發(fā)光二極管〕和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器類型:用于檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)1．光電耦合器(1)組成

輸出端之間的電的耦合。電→光、光→電兩次轉(zhuǎn)換，進(jìn)行輸入端和優(yōu)點(diǎn)：輸出和輸入進(jìn)行電氣隔離，輸入和輸出沒有反響。具有獨(dú)立選擇輸入阻抗和輸出阻抗，抗干擾能力強(qiáng)。應(yīng)用場(chǎng)合：電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合。2.光電開關(guān)定義：是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收,并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,同時(shí)加以某種形式的放大和控制,從而獲得最終的控制輸出“開“、“關(guān)〞信號(hào)的器件。

透射式結(jié)構(gòu)：反射式特點(diǎn)：小型、高速、非接觸,而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。應(yīng)用范圍：在工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及平安裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。用途：用作物體檢測(cè)，產(chǎn)品計(jì)數(shù),料位檢測(cè)，尺寸控制，平安報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。五、電荷耦合器件〔ChargeCoupleDevice,簡稱CCD〕功能：進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷。應(yīng)用范圍：應(yīng)用于航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文、通訊等領(lǐng)域信息存儲(chǔ)及信息處理方面，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。1．CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體〔MOS〕集成電路光電器件。以電荷為信號(hào)，具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、移位并讀出信號(hào)電荷的功能。1970年問世。２．CCD的應(yīng)用〔CCD固態(tài)圖像傳感器〕電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中,作為攝像或像敏的器件。組成：由感光局部和移位存放器組成。感光局部——在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的假設(shè)干光敏單元組成的陣列元件,光敏單元簡稱“像素〞。移位存放器——在電荷耦合中擔(dān)任電荷耦合傳輸?shù)膯卧Ｔ恚豪霉饷魡卧墓怆娹D(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像→電信號(hào)“圖像〞,利用移位存放器的移位功能將電信號(hào)“圖像〞傳送→輸出放大器輸出。單行結(jié)構(gòu)線型CCD圖像傳感器雙行結(jié)構(gòu)類型：線轉(zhuǎn)移面型CCD圖像傳感器幀轉(zhuǎn)移隔列轉(zhuǎn)移線型CCD圖像傳感器主要用于測(cè)試、和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。六、光電傳感器的一般形式及應(yīng)用1．光電傳感器的一般形式分為模擬式和脈沖式兩大類〔1〕模擬式〔2〕脈沖式2．光電傳感器的應(yīng)用〔1〕火焰探測(cè)報(bào)警器〔2〕光電式緯線探測(cè)器〔3〕燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器〔4〕CCD圖像傳感器應(yīng)用根據(jù)幾何光學(xué)原理，推導(dǎo)被測(cè)物體尺寸計(jì)算公式，式中：n——覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；

p——像素間距；

M——倍率。〔5〕光電轉(zhuǎn)速傳感器

n=f/N

式中：n——轉(zhuǎn)速；f——脈沖頻率；N——圓盤開孔數(shù)。8.2光纖傳感器一、概述光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、可撓曲、體積小、重量輕、電絕緣性好，以及與光纖傳輸線路相容、便于與計(jì)算機(jī)連接等。用途：測(cè)量壓力、應(yīng)變、位移、速度、流量、溫度、加速度、PH值等。

二、光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖結(jié)構(gòu)〔1〕光纖即光導(dǎo)纖維〔2〕由纖芯、包層和保護(hù)層〔外套〕組成。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃組成；保護(hù)層多為尼龍材料以增加機(jī)械強(qiáng)度。各種裝飾性光導(dǎo)纖維

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的外表。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠光纖傳感器外形2.光纖傳光原理光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射三、光纖根本特性1．?dāng)?shù)值孔徑〔NA〕說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA,定義為NA=sinθc=數(shù)值孔徑意義:無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射角處于2θc的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。2．光纖模式光纖模式：就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞?。單模光纖光纖按傳輸模式多少分為多模光纖單模光纖：通常指階躍光纖中內(nèi)芯尺寸很小，因而光纖傳輸?shù)哪Ｊ胶苌伲敲瓷现荒軅饕环N模式的光。多模光纖：指階躍型光纖中，內(nèi)芯尺寸較大，因而傳輸模式很多的光纖。3．光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗主要來源：材料吸收損耗、散射損耗及光波導(dǎo)彎曲損耗?！?〕在光纖材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料吸收損耗?！?〕散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長的四次方成反比?！?〕光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。四、光纖傳感器1．光纖傳感器的工作原理和組成原理：研究光被外界參數(shù)的調(diào)治原理。光調(diào)制就是把某一被測(cè)信息加載到傳輸光波上。這種承載了被測(cè)量信息的調(diào)制光再經(jīng)光探測(cè)系統(tǒng)解調(diào)，便可獲得所需檢測(cè)的信息。功能型傳感器(FunctionalFiber,FF)分類

非功能型傳感器(NonFunctionalFiber,NFF)功能型傳感器：是利用光纖本身的特性(如光纖的折射率、傳輸光的強(qiáng)度等)隨被測(cè)量而發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖